Erdgas

  Erdgas ist ein brennbares Naturgas, das in unterirdischen Lagerstätten vorkommt. Es tritt häufig zusammen mit Erdöl auf, da es auf ähnliche Weise entsteht. Erdgase bestehen hauptsächlich aus Methan, unterscheiden sich aber in ihrer weiteren chemischen Zusammensetzung.

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Eigenschaften

Zusammensetzung

Bei Erdgas handelt es sich um ein Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung je nach Fundstätte beträchtlich schwankt.

Der Hauptbestandteil ist immer Methan. Häufig enthält Erdgas auch größere Anteile höherer Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan und Ethen, dieses Erdgas wird nasses Erdgas genannt (dies hat nichts mit dem meist auch vorhandenen Wasserdampfanteil zu tun, sondern beschreibt allgemein den Anteil an leicht kondensierbaren Gasen).

Ein weiterer Nebenbestandteil ist Schwefelwasserstoff, der durch Entschwefelung des Erdgases entfernt wird, und bis zu neun Prozent Kohlenstoffdioxid. Da letzteres für die Energiegewinnung wertlos ist, wird es in die Luft abgegeben. Das können für eine Bohrinsel bis zu 28.000 Tonnen pro Tag sein. Von großem Wert sind Erdgase, die bis zu sieben Prozent Helium enthalten. Diese sind die Hauptquelle der Heliumgewinnung.

Erdgas „L“ besteht aus ca. 85 % Methan, 4 % weiteren Alkanen (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 11 % Inertgasen.

Erdgas „H“ (Nordsee) besteht aus ca. 89 % Methan, 8 % weiteren Alkanen (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 3 % Inertgasen.

Erdgas „H“ (GUS-Staaten) besteht aus ca. 98 % Methan, 1 % weiteren Alkanen (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 1 % Inertgasen.

Physikalische Eigenschaften

Erdgas ist ein ungiftiges, brennbares, farb- und in der Regel geruchloses Gas mit einer Zündtemperatur von rund 600 °C. Es ist leichter als Luft. Zur Verbrennung von 1 m³ Erdgas werden ungefähr 10 m³ Luft benötigt. Um eventuell austretendes Erdgas orten zu können, wird es mit einem Duftstoff versehen. Bei dieser Odorierung werden vorrangig Thioether z. B. Tetrahydrothiophen oder Thiole (z. B. Ethylmercaptan und tertiäres Butylmercaptan) in geringsten Mengen zugeführt. Diese Duftstoffe sind für den klassischen Gasgeruch verantwortlich. Je nach Herkunft des Erdgases kann sich darin ein erheblicher Anteil an organischen Schwefelverbindungen befinden, die eine Beseitigung dieser äußerst intensiv riechenden Erdgasbegleiter notwendig machen.

Man unterscheidet die Erdgasqualitäten L (low) und H (high). Erdgas H hat einen höheren Methangehalt (87 bis 99 Vol. %), während Erdgas L bei Methananteilen von 80 bis 87 Vol. % größere Mengen an Stickstoff und Kohlendioxid enthält.

• Energiedichte (Erdgas L – Erdgas H)
  • Brennwert Hs (früher Ho) Masse : 10 – 14 kWh/kg = 36 – 50 MJ/kg
  • Brennwert Hs (früher Ho) Volumen : 8,2 – 11,1 kWh/m³ = 30 – 40 MJ/m³
  • Der Heizwert Hi (früher Hu) liegt jeweils etwa 10 % unter diesen Werten.
• Dichte = 0,700 – 0,840 kg/m³ (Erdgas H – Erdgas L)
• Siedepunkt = −161 °C.

Entstehung und Vorkommen

  Erdgas entsteht auf ähnliche Art wie Erdöl und wird daher auch oft mit diesem zusammen gefunden. Es bildet sich unter Luftabschluss, erhöhter Temperatur und hohem Druck aus abgestorbenen und abgesunkenen Kleinstlebewesen (Mikroorganismen, Algen, Plankton). Diese sind auf den Grund der damaligen Ozeane abgesunken und anschließend von undurchlässigen Schichten überdeckt worden. Die dann einsetzenden chemischen Prozesse führten zur Bildung von Erdgas.

Ein Großteil des heute verfügbaren Erdgases ist vor 15 bis 600 Millionen Jahren entstanden.

In der Regel kommen Kohlenwasserstofffelder vor, d. h. Felder, die Erdöl und Erdgas enthalten – in unterschiedlichen Zusammensetzungen. Reine Erdöl- oder reine Erdgas-Felder sind sehr selten. 1844 wurde in Europa erstmals Erdgas im Gebiet des Wiener Ostbahnhofs gefunden. 1892 folgten Funde bei Wels. Große Gasfelder sind das Troll-Feld in Norwegen, das Nord-Feld in Katar und das Gasfeld Urengoi in Russland. Des Weiteren werden noch große, unerschlossene Gasfelder im Iran vermutet.

Erdgas erschöpft sich nicht in einem allmählich schwächer werdenden Ausstoßprozess ähnlich dem Schwächerwerden eines Erdölvorkommens (vgl. Peak Oil). Es stoppt ganz plötzlich aus einer 100 %-Ergiebigkeit, wenn die Gasquelle entleert ist. Dadurch wird die Vorhersehbarkeit und Planbarkeit eines Vorrats erheblich reduziert. Dies gilt analog für den Welt-Erdgasvorrat als Ganzes.

Siehe auch: Erdöl

Gewinnung und Verarbeitung

Erdgas wird durch Bohrungen entweder in reinen Erdgasfeldern gewonnen oder als Nebenprodukt bei der Erdölförderung.

Transport und Speicherung

Erdgas kann durch technische Verfahren auch in andere Aggregatzustände versetzt werden, die einen Transport ohne Pipelines ermöglichen. Gemein ist allen Verfahren eine Verringerung des Volumens, wodurch sie sich unter anderem auch besser als Ersatz für Kraftstoff aus Mineralöl eignen.

• Komprimiertes Erdgas (CNG – Compressed Natural Gas) (Komprimierung, Druckbehälter)
• Verflüssigtes Erdgas (LNG – Liquefied Natural Gas) (Gasverflüssigung durch Kompression und/oder Kühlung)
• GtL – Gas-to-Liquids (Umwandlung in flüssige Kohlenwasserstoffe)

In Europa gibt es u. a. die:

• Erdgastrasse Urengoi – Uschhorod
• Transeuropäische Naturgas-Pipeline
• Interconnector

Darüber hinaus wird Erdgas in erheblichem Umfang in Untergrundspeichern zum Ausgleich von Lastschwankungen und zur Bevorratung genutzt.

Trocknung

Erdgastrocknung

Die Trocknung von Erdgas, d. h. der Entzug von Wasser, ist ein wesentlicher Vorgang bei der Erdgasaufbereitung.

Sie verhindert zum einen die Bildung von Methanhydraten, die als feste und sehr harte Verunreinigungen die in die Pipeline eingebauten Armaturen beschädigen können. Zum anderen gewährleistet sie einen gleich bleibenden Brennwert des Gases bei der Einspeisung in das öffentliche Gasnetz.

Gemessen wird der Trocknungsgrad von Erdgas mit dem Taupunkt. In der Regel wird ein Taupunkt unter −8 °C angestrebt.

Zur Gastrocknung sind unter anderem folgende Verfahren bekannt:

Absorptionstrocknung mit Glykol

Zur Absorptionstrocknung wird das Erdgas im Absorber mit Triethylenglykol (TEG) in Kontakt gebracht. TEG ist stark hygroskopisch und entzieht dem Gas das Wasser. Der Kontakt geschieht im Gegenstrom. Das Gas strömt von unten nach oben durch den Absorber, das Glykol wird oben eingebracht, und unten wieder aus dem Gasstrom entfernt (ausgeschleust). Da der Kontakt nur an der Oberfläche möglich ist, wird diese durch das Einbringen von strukturierten Packungen in den Absorber vergrößert.

Das aus dem Absorber ausgeschleuste Glykol wird in der Regeneration wieder aufbereitet. Im Reboiler wird durch Erhitzung das aufgenommene Wasser sowie Kohlenwasserstoffe aus dem Glykol entfernt. Diese sogenannten Brüdengase werden in der Destillationskolonne vom verdampften Glykol getrennt.

Der Reboiler wird durch einen Erdgasbrenner beheizt. Dies geschieht in modernen Systemen mit einem Wärmeübertrager, durch den in einer separaten Brennkammer erzeugtes Rauchgas geleitet wird. In dieser Brennkammer werden auch die Brüdengase verbrannt. Dies reduziert den Bedarf an Brenngas, und die Brüdengase müssen nicht aufwändig kondensiert und dann entsorgt werden.

Trocknung mittels Molekularsieb

Der Trocknungsprozess mittels Molekularsieb von Gasen erfolgt in der Regel in verschiedenen Stufen:

Stufe 1:

Vortrocknung durch Wärmeübertrager oder andere Arten von Wasserabscheidern. Hierbei wird das Gas gekühlt und durch Abscheider große Mengen an Wasser entzogen. Der Restwassergehalt im Gas ist nach diesem Prozess allerdings noch zu hoch, um es genügend komprimieren und damit verflüssigen zu können.

Stufe 2:

Nachdem Stufe 1 durchgeführt worden ist gelangt das Gas in sogenannte Adsorberkessel. Dies sind mindestens zwei Tanks, welche mit einem Molekularsieb gefüllt sind. Das Gas wird nun durch Adsorber Nr. 1 gepresst. Der restliche Wasseranteil wird nun vom Molekularsieb (in der Regel ein 4A) aufgenommen (adsorbiert) und zwar in einem solchen Ausmaß, dass beim Gasaustritt ein Taupunkt von bis zu −110 °C erreicht wird. Dieser Adsorptionsprozess kann bis zu 12 Stunden oder mehr dauern. Danach wird der Gasstrom auf Adsorber Nr. 2 umgeleitet und Adsorber Nr. 1 „geht“ in die Regenerationsphase. Bei der Regenerierung wird sehr trockene, heiße Luft oder Stickstoff mit einer Temperatur von ca. 300 °C von der Gegenseite her durch den Kessel gepresst und damit die vom Molekularsieb zurückgehaltenen Wassermoleküle herausgelöst und aus dem Kessel befördert. Danach erfolgt die Kühlung des Bettes über mehrere Minuten bis Stunden. Eine Adsorptions- und Regenerationsphase nennt man Zyklus.

Die bei der Erdgastrocknung eingesetzten Molekularsiebe werden speziell für die verschiedensten Gaszusammensetzungen entwickelt. Oft müssen nicht nur Wassermolekühle, sondern auch Schwefelwasserstoff oder Kohlenwasserstoffen aus dem Gas gefiltert werden. In den meisten Fällen kommt ein 4A Molekularsieb zum Einsatz, es gibt jedoch Situationen wo eine Kombination aus zwei verschiedenen Typen (z. B. 4A und 13X) zur Anwendung gelangen.

Industrielle Bedeutung

Weltproduktion von Erdgas

  Die Netto-Weltförderung von Erdgas (Naturgas) einschließlich Erdölgas, abzüglich zurückgepresstes und abgefackeltes Gas und abzüglich Eigenverbrauch betrug im Jahr 2004 rund 2.689 Milliarden m³, davon waren Russland mit 22 % und die USA mit 20 % Weltanteil die Hauptförderländer. Russland förderte 2004 589,1 Milliarden m³, die USA 542,9 Milliarden m³ Erdgas. Weitere bedeutende Förderstaaten sind Kanada mit 6,8 % (182,8 Mrd. m³), Großbritannien mit 3,6 % (95,9 Mrd. m³), Algerien mit 3,0 % (82,0 Mrd m³), Indonesien, Niederlande, Norwegen, Usbekistan, Iran, Argentinien, Mexiko, Saudi-Arabien, Vereinigte Arabische Emirate und Malaysia. Deutschland förderte 17,2 Milliarden m³ (0,6 %), Österreich 2,0 Milliarden m³.

Damit deckt Erdgas etwa 24 % des weltweiten Energieverbrauchs. Da das Erdgas in der Regel unter hohem Druck steht, fördert es sich sozusagen von selbst, sobald das Reservoir einmal geöffnet ist.

Die nachgewiesenen Welterdgasreserven beliefen sich 2004 auf 170.942 Milliarden m³ bzw. 185 Milliarden Tonnen SKE . Diese Erdgasreserven sollten nach Hochrechnungen aus dem Jahr 2004 noch knapp 67 Jahre reichen. Dabei sind diese geschätzt wie folgt verteilt: Naher Osten 72.830 Milliarden m³, Europa und GUS-Staaten 64.020 Milliarden m³, Asien und Australien 14.210 Milliarden m³, Afrika 14.060 Milliarden m³, Nordamerika 7.320 Milliarden m³ und Südamerika 7.100 Milliarden m³.

Bedeutende Importländer von Erdgas sind USA, Deutschland, Japan, die Ukraine, Italien, Frankreich und Weißrussland.

Versorgung in Deutschland

Bis Anfang der 1980er Jahre wurde die Gasversorgung der meisten westdeutschen Städte von Stadtgas, das wegen des hohen Anteils von Kohlenstoffmonoxid giftig ist, auf Erdgas umgestellt. Dies war ohne größere Umbauten möglich. In der ehemaligen DDR vollzog man die Umstellung überwiegend erst in den 1990ern.

In Deutschland betrug der Erdgas-Anteil am Gesamtenergieverbrauch etwa 22,5 %. Im Jahre 2003 wurden etwa 53 % aller Privathaushalte mit Erdgas beheizt. Für Deutschland sind die wichtigsten Lieferländer: Russland 32 %; Norwegen 26 %; Niederlande 19 %. Rund ein Fünftel des Bedarfs wird in Deutschland selber gefördert – zumeist in Norddeutschland.

Mit der politisch umstrittenen Nordeuropäischen Gasleitung soll die Erdgasversorgung in Deutschland mit der Inbetriebnahme im Jahr 2010 weiter gesichert werden. Die Pipeline zwischen Russland und Greifswald kann mit 55 Milliarden Kubikmetern jährlich etwa die Hälfte des jetzigen deutschen Jahresverbrauchs decken.

Schon seit über 25 Jahren gibt es Überlegungen, bei Wilhelmshaven ein Terminal für Flüssiggastanker zu bauen, um die Abhängigkeit von Importen über Pipelines zu reduzieren.

Zur Spitzendeckung, zum Ausgleich kurzfristiger Importstörungen und Bedarfschwankungen werden in Deutschland ca. 18,6 Milliarden Kubikmeter Erdgas in Untergrundspeichern gelagert.

Die Verwendung von Erdgas unterliegt in Deutschland einer Erdgassteuer, deren Normalsatz zur Zeit bei 5,50 € je Megawattstunde (d.s. 5,5 € pro 1.000 kWh) liegt.

Bei der Preisbildung für Erdgas spielt in Deutschland die Ölpreisbindung eine große Rolle.

Einsatz im Kraftwerk

Eine wichtige Anwendung für Erdgas ist sein Einsatz im Gasturbinenkraftwerk. Diese Anlagen werden in Deutschland in erster Linie zur Deckung von Spitzenlast verwendet, da die dort genutzten Gasturbinen eine hohe Schnellstartfähigkeit besitzen und daher als Betriebsreserve für die weniger schnell ersetzbaren Dampfkraftwerke dienen. Im GuD-Kraftwerk und im Kombikraftwerk dient Erdgas zum Antrieb von Turbinen, die im Spitzenlastbereich arbeiten.

Erdgas als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge

Hauptartikel: Erdgasfahrzeug

  Erdgas wird seit einigen Jahren auch verstärkt als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge verwendet und in diesem Zusammenhang wegen seiner komprimierten und verflüssigten Form als CNG Compressed Natural Gas (komprimiertes Erdgas) oder LNG Liquified Natural Gas (Flüssigerdgas) bezeichnet.

An Tankstellen ist Erdgas als H-Gas (High Gas) und/oder L-Gas (Low Gas) erhältlich, wobei das H-Gas einen etwas höheren Energiegehalt als das L-Gas hat (siehe Daten). Der Energiegehalt von 1 kg Erdgas (H-Gas) entspricht etwa 1,5 Liter Benzin beziehungsweise 1,33 Liter Diesel. Im Oktober 2007 waren über 62.000 mit Erdgas betriebene Fahrzeuge in Deutschland zugelassen, Tendenz steigend. Der Zuwachs betrug allein zum Oktober des Vorjahres (2006) 12.000 %. Im Oktober 2007 gab es in Deutschland bereits 756 Erdgastankstellen. Alternativ kann auch bei CNG-Fahrzeugen Biogas getankt werden.

Der Vorteil von Erdgas liegt in der Steuerbegünstigung. Die deutsche Bundesregierung senkte mit dem „Gesetz zur Fortentwicklung der ökologischen Steuerreform“ aus dem Jahre 2002 für alle Fahrzeuge im öffentlichen Straßenverkehr den Mineralöl-Steuersatz auf Erdgas bis zum 31. Dezember 2020 und für Flüssiggas bis zum 31. Dezember 2009. Dieses Gesetz wurde 2006 überarbeitet, sodass nun Erdgas und Flüssiggas gleichermaßen bis 31. Dezember 2018 steuerlich begünstigt sind. Durch die Steuervergünstigungen ermäßigt sich der Preis für Erdgas auf derzeit rund 50 – 60 Cent im Vergleich zu einem Liter bleifreiem Benzin (bezogen auf den Energiegehalt, wobei das Erdgas in Kilogramm getankt wird).

Die Automobilindustrie bietet serienmäßige Erdgas-Modelle seit 1995 an. Jedoch ist nicht jedes Modell als Erdgasfahrzeug erhältlich. Eine Nachrüstung von Benzinfahrzeugen ist relativ aufwändig, der Umbau kostet zwischen 3.200 Euro und 4.500 Euro. Bei den meisten Serienfahrzeugen sind die Tanks unterflur angeordnet, sodass Einschränkungen in der Nutzung des Kofferraums entfallen. Erdgastankstellen entnehmen das Gas dem Erdgasnetz und komprimieren es auf einen Druck von 200 bar. Durch die vorhandene Infrastruktur des Erdgasnetzes entfällt der Aufbau eines aufwändigen Transport- und Verteilnetzes. Es gibt zahlreiche lokale Verkehrsunternehmen im ÖPNV, die ihre Omnibusse mit Erdgas betreiben, aber auch Taxi-Unternehmen und Logistikunternehmen wie TNT.

Umweltpolitik

Durch die geringen Verunreinigungen verbrennt Erdgas generell gegenüber anderen fossilen Brennstoffen sauberer. Trotzdem verursachen Förderung, Transport und Verarbeitung etwa die Hälfte der Freisetzung des Treibhausgases Methan: Zum einen durch Undichtigkeiten der technischen Anlagen; zum anderen, wenn es als Nebenprodukt der Erdölförderung nicht gewinnbringend abgesetzt oder zurück in die Erde gepumpt werden kann und zu einem erheblichen Anteil abgefackelt wird. Durch verschiedene flare down Programme der Erdölindustrie soll das Abfackeln vermindert und das Gas der Verarbeitung und einer kontrollierten saubereren energetischen Nutzung zugeführt werden und dabei andere Energieträger ersetzen. Dies bewirkt eine erhebliche Verbesserung der globalen Ökobilanz und wird daher durch Steuervorteile gefördert. Falls einmal Erdgas nicht mehr ausreicend als Abfallprodukt zur Verfügung steht, kann durch zunehmende Produktion und Beimischung von Biogas die Nachhaltigkeit der Investitionen in das Erdgasnetz gewährleistet werden.

Erdgas-Unternehmen

Der größte deutsche Erdgas- (und Erdöl-) Produzent ist die RWE Dea (Hamburg). Die größten Erdgas-Versorgungsunternehmen in Deutschland sind E.ON Ruhrgas (Essen), RWE Energy (Dortmund), Shell (Hamburg) und ExxonMobil (Hannover). Beim Transport (Pipelines) sind nach E.ON Gastransport die BEB (Hannover) und WINGAS (Kassel) führend.

Der Vertrieb an die Endverbraucher erfolgt über ca. 700 Gasversorgungsunternehmen, insbesondere Stadtwerke. Den größten Teil des bezogenen Erdgas erwirbt E.ON Ruhrgas von dem russischen Unternehmen Gazprom sowie von der niederländischen Gasunie und den norwegischen Produzenten.

Siehe auch

• Erdgas/Tabellen und Grafiken
• Erdgasfahrzeug
• Erdöl
• Fossile Energie
• Gas
• Kohlenwasserstoffe
• Nordeuropäische Gasleitung
• Russisches Gaspipeline-System
• Abfackelung
• Gasbehälter

Literatur

• Bundesverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft, BGW: Die Erdgasversorgung der Zukunft, Informationen und Hintergründe zum deutschen Erdgasmarkt; 2006

DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e. V.: Technisches Regelwerkbe-x-old:Прыродны газ